诱导多能干细胞(iPS)的研究热点和潜在应用

上一篇 / 下一篇  2010-08-18 11:06:51

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  NIH四月份宣布要从紧张的经费中拨款,筹建诱导多能干细胞(iPS,Induced Pluripotent Stem Cells)中心。最近NIH也许因为在招人,我比较密集地听了一些iPS相关的讲座,所以想稍微总结一下,给有生物背景的科学工作者增加一些印象。

  细胞核转移技术诞生的多利羊曾经在中国掀起一阵“克隆”热。iPS技术的诞生则大大地更进了一步,它直接证明,用四个转录因子就可以让终末分化的体细胞回到原初的多能干细胞状态。

  iPS不仅在生物学理论上有突破,在伦理学上绕过了胚胎干细胞,在实际应用上它也具有非常大的潜力。

  Cell Based Therapy: 在异体细胞或者器官移植过程中,免疫排斥一直是个难题。理论上自身的体细胞(比如皮肤细胞或者血液细胞)可以在体外重编排成iPS细胞,而iPS细胞具有多能性,它能分化成任何其它组织特异性的终末分化细胞(比如神经细胞)或者干细胞,这些细胞如果移植到自身体内,则基本上不会产生免疫排斥的问题。通过移植功能性的细胞(或干细胞),有可能使组织的损伤得到修复更新。比如一些退行性疾病,心脏病,脊柱损伤等就有可能得到治疗。

  iPS细胞治疗的一个好处是,一些有遗传缺陷的细胞可以在体外修复,然后重新植入体内来修复组织或者器官。

  Disease Modeling: 在体内,胚胎初期的干细胞分化出三胚层,胚层再分化成各种各样的细胞。在体外,多能干细胞能很大程度上重演这个过程。以往研究一个疾病的成因,需要依赖老鼠的模型,而老鼠建模本身很困难,模型和实际的人的疾病也可能相差甚远。直接用病人的的细胞在体外重编程为iPS细胞,然后让iPS细胞分化成相关的有疾病的细胞,用正常iPS细胞做对照,观察这个过程中病人的iPS有哪些缺陷,发生哪些变化,可以为了解这个疾病的发生提供新的工具。除了体外观察以外,疾病相关的iPS植入没有免疫力的小鼠,还可以在体内观察这些变化。

  Drug Screening:干细胞的一个特点是可以在体外无限增殖。大规模药物筛选通常需要很多细胞,iPS细胞(以及它分化的细胞)是想要多少就可以提供多少。另外疾病特异的iPS细胞本身就是筛药的目标。比如来自spinal muscular atrophy的iPS细胞可能因为某个蛋白的表达下降导致它分化成神经干细胞的能力下降,那么就可以筛选提高iPS这个蛋白表达水平的药物,看它能否rescue这个iPS的分化能力。这个药物本身也许就能改善spinal muscular atrophy [1]。

  Personalized Medicine。如前所述,来自于自体的iPS细胞可以在体外无限增殖。某些药物只针对某些人群有用,而对另外的人群不仅没有治疗作用而且有副作用。iPS(以及它分化的细胞)就可以为药物的分型提供帮助。另外,个人化的细胞治疗本身也应该属于Personalized Medicine范畴。

  因为iPS具有非常广泛的而且在某些方面优于胚胎干细胞(ES,Embryonic Stem Cells)的应用前景,有关这个技术本身的基础研究也在如火如荼地展开。

  iPS细胞多大程度上等同于ES细胞。除了它们都表达一样的多能性的marker外,有人做过它们全基因组表达谱的比对。iPS细胞和ES细胞的差异约等于两个不同的iPS细胞克隆的差异,证明iPS几乎与ES细胞相同。而动物所周琪组利用iPS细胞培育出小鼠个体,则最终证明iPS细胞和ES细胞具有一样的多能性[2]。

  那么iPS细胞是不是完全和ES细胞一样呢?也不是。还是有少量基因表达不同,一些在基因组上表观遗传(epigenetic)的修饰有差别,分化成某个细胞系的能力也有强有弱。iPS还带有原细胞的记忆,比如来自血液细胞的iPS,相比于来自于成纤维细胞的iPS,它就更容易重新分化成血液细胞[3]。这些记忆可以通过持续传代培养,或者一些表观遗传相关的药物处理逐渐消失。

  iPS细胞的来源。什么细胞最容易重编排成iPS?要用iPS细胞修复受损的心脏细胞,是不是来源于心脏细胞的iPS更好用?最近有报道取点血样就可以做成iPS,以后就不用动手术取皮肤组织什么的了[4]。

  iPS 重编排的机理。现在做各种细胞信号通路的,small RNA的,转录因子的,表观遗传的,都从各个不同角度研究这个reprogramming的机理,还有iPS自我更新,增殖,分化的机理。

  提高诱导iPS的效率。现有的诱导iPS的方法效率很低,且这四个转录因子一直过表达的话都有致癌嫌疑且可能会影响后续的分化能力。Scripps研究所的丁胜实验室在这一方面处于领先地位。他用功能性的蛋白质取代过表达的四个转录因子,也取得了成功。蛋白质因为在诱导iPS后会慢慢降解,所以大大降低了致癌可能性[5]。最好的办法还是用小分子来诱导。小分子随时可以撤走,方便简易成本低。现在两个转录因子加小分子就可以诱导iPS[6],我预计不远的将来,四个转录因子都会被小分子取代,且诱导的效率会大大提高。

  iPS致癌性的原因。iPS技术的发明者Shinya Yamanaka现在就在研究如何区分好的和不好的(致癌的)iPS细胞。通过发现好坏的marker,用FACS 分选纯的好iPS,致癌性有可能大大降低。

  Transdifferentiation。分化的体细胞-iPS-分化的其它细胞的路线用时比较长,人们预计一种类型的细胞可能可以跳过多能干细胞这一环直接转分化成另一类型的细胞,这个设想已经实现。

  iPS细胞的分化。做细胞治疗用到的可能是iPS细胞,iPS分化成的干细胞,也可能是功能性的终末分化细胞。iPS在体外高效地分化成组织特异性的细胞在某些细胞系已经得到实现,比如会跳动的心脏细胞,会放电的神经细胞,但是还有很多细胞系没有实现。筛选能促使、促进细胞分化的小分子,现在也是研究的重点。同样的,这些小分子在体内可能就能够直接帮助缓解某些疾病。

  iPS技术发明不是很久,它是生物学这么多年研究新出现的一个让人兴奋的热点,中国现在快速跟进抢占山头很有必要。在不远的将来,我预计胰岛素依赖的糖尿病(通过iPS分化出能产生胰岛素的B-cell并作细胞移植),白血病(通过iPS/ES重建血液系统)有可能得到根治。癌症治疗投资如此巨大,研究这么多年尚没有突破性的进展,如果iPS短期内能彻底攻克一两个现在看来比较容易的病症,那么iPS/ES的研究还会继续加温。

  另外本人随机想到:成体终末分化的细胞能逆分化成多能的(全能的)干细胞,为什么不能诱导出组织特异性的类似于成体干细胞的细胞?比如用血液细胞诱导出血液干细胞,还有肌肉干细胞,皮肤干细胞,神经干细胞等等。理论上这个部分逆分化应该比完全的逆分化更简单。我预计,通过研究维持成体干细胞多能性的转录因子的研究,有可能在不远的将来会实现这个设想。

  NIH了解干细胞基础的报告:http://stemcells.nih.gov/info/2006report/

  NIH最近有关iPS/ES讲座的免费视频:

  http://videocast.nih.gov/summary.asp?Live=9470

  http://videocast.nih.gov/summary.asp?Live=9447

  http://videocast.nih.gov/summary.asp?Live=9450

  References:

  1. Ebert, A.D., Yu, J., Rose, F.F., Jr., Mattis, V.B., Lorson, C.L., Thomson, J.A., and Svendsen, C.N. (2009). Induced pluripotent stem cells from a spinal muscular atrophy patient. Nature 457, 277-280.

  2. Zhao, X.Y., Li, W., Lv, Z., Liu, L., Tong, M., Hai, T., Hao, J., Guo, C.L., Ma, Q.W., Wang, L., et al. (2009). iPS cells produce viable mice through tetraploid complementation. Nature 461, 86-90.

  3. Kim, K., Doi, A., Wen, B., Ng, K., Zhao, R., Cahan, P., Kim, J., Aryee, M.J., Ji, H., Ehrlich, L.I., et al. Epigenetic memory in induced pluripotent stem cells. Nature.

  4. Staerk, J., Dawlaty, M.M., Gao, Q., Maetzel, D., Hanna, J., Sommer, C.A., Mostoslavsky, G., and Jaenisch, R. Reprogramming of human peripheral blood cells to induced pluripotent stem cells. Cell stem cell 7, 20-24.

  5. Zhou, H., Wu, S., Joo, J.Y., Zhu, S., Han, D.W., Lin, T., Trauger, S., Bien, G., Yao, S., Zhu, Y., et al. (2009). Generation of induced pluripotent stem cells using recombinant proteins. Cell stem cell 4, 381-384.

  6. Shi, Y., Do, J.T., Desponts, C., Hahm, H.S., Scholer, H.R., and Ding, S. (2008). A combined chemical and genetic approach for the generation of induced pluripotent stem cells. Cell stem cell 2, 525-528.


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